ייצור ביודיזל ביעילות תהליכית וכלכלית עדיפה

ערבוב אולטרסוני הוא הטכנולוגיה העדיפה לייצור ביודיזל ביעילות גבוהה ובעלות משתלמת. קוויטציה אולטרסונית משפרת באופן דרסטי את מעבר המסה, ובכך מפחיתה את עלויות הייצור ומקצרת את משך העיבוד. במקביל, ניתן להשתמש בשמנים ובשומנים באיכות ירודה (למשל, שמני פסולת), ואיכות הביודיזל משתפרת. Hielscher Ultrasonics מספקת כורי ערבוב אולטרסוניים עמידים ובעלי ביצועים גבוהים לכל היקף ייצור. קראו עוד כיצד ייצור הביודיזל שלכם יפיק תועלת מסוניקציה!

היתרונות של שימוש באולטרסאונד בייצור ביודיזל

ביודיזל (מתיל אסטר של חומצת שומן, ובקיצור FAME) הוא תוצר של תגובת טרנסאסטריפיקציה בין חומר גלם ליפידי (טריגליצרידים, למשל שמן צמחי, שמני בישול משומשים, שומנים מן החי, שמן אצות) לבין אלכוהול (מתנול, אתנול), באמצעות זרז (למשל, אשלגן הידרוקסידי KOH).
הבעיה: בהמרה קונבנציונלית לביודיזל באמצעות ערבול קונבנציונלי, העובדה ששני המגיבים בתגובת הטרנסאסטריפיקציה, שמן ואלכוהול, אינם מתערבבים זה בזה מובילה לקצב נמוך של מעבר מסה, וכתוצאה מכך לייצור ביודיזל בלתי יעיל. חוסר יעילות זה מתאפיין בזמני תגובה ארוכים, ביחסים מולריים גבוהים יותר בין מתנול לשמן, בדרישה לכמויות גדולות של זרז, בטמפרטורות תהליך גבוהות ובמהירויות ערבול גבוהות. גורמים אלה תורמים משמעותית לעלויות והופכים את ייצור הביודיזל הקונבנציונלי לתהליך יקר.
הפתרון: ערבוב אולטרסוני יוצר תחליב מן המגיבים באופן יעיל ביותר, מהיר וזול, כך שניתן לשפר את היחס בין שמן למתנול, להפחית את כמות הזרז הנדרשת, לקצר את זמן התגובה ולהוריד את טמפרטורת התגובה. כך נחסכים משאבים (כלומר, כימיקלים ואנרגיה) וזמן, עלויות העיבוד פוחתות, ואילו איכות הביודיזל ורווחיות הייצור משתפרות משמעותית. עובדות אלה הופכות את הערבוב האולטרסוני לטכנולוגיה המועדפת לייצור יעיל של ביודיזל.
מחקרים ויצרני ביודיזל תעשייתיים מאשרים כי ערבוב אולטרסוני הוא דרך משתלמת ביותר לייצור ביודיזל, גם כאשר שמנים ושומנים באיכות ירודה משמשים כחומרי גלם. העצמת התהליך באמצעות אולטרסאונד משפרת במידה ניכרת את שיעור ההמרה ומפחיתה את השימוש בעודפי מתנול וזרז, ובכך מאפשרת לייצר ביודיזל העומד בתקן האיכות ASTM D6751 ובמפרטי EN 14212. (ראו Abdullah et al., 2015)

טרנסאסטריפיקציה של טריגליצרידים לביודיזל (FAME) באמצעות סוניקציה מאיצה את התגובה ומביאה ליעילות גבוהה משמעותית.

יתרונות רבים של ערבוב אולטרסוני בייצור ביודיזל

ניתן לשלב בקלות כורי ערבוב אולטרסוניים בכל מתקן חדש וכן להוסיף אותם למפעלי ביודיזל קיימים. שילוב מערבל אולטרסוני של Hielscher הופך כל מתקן ביודיזל למפעל ייצור בעל ביצועים גבוהים. התקנה פשוטה, עמידות וידידותיות למשתמש (אין צורך בהכשרה ייעודית לתפעול) מאפשרות לשדרג כל מתקן למפעל ביודיזל יעיל ביותר. להלן אנו מציגים תוצאות מוכחות מדעית המדגימות יתרונות שתועדו בידי גורמים חיצוניים בלתי תלויים. הנתונים מוכיחים את עדיפות הערבוב האולטרסוני של ביודיזל על פני כל שיטת ערבול קונבנציונלית.

תרשים הזרימה מציג את שלבי ייצור הביודיזל, כולל ערבוב אולטרסוני לשיפור יעילות התהליך.

השוואת יעילות ועלויות: אולטרסאונד לעומת ערבול מכני

Gholami et al. (2021) מציגים במחקרם ההשוואתי את יתרונות הטרנסאסטריפיקציה האולטרסונית על פני ערבול מכני (כלומר, מערבל להבים, אימפלר, מערבל בעל גזירה גבוהה).

עלויות השקעה נמוכות:
המעבד והריאקטור האולטרסוני UIP16000 יכולים לייצר ביודיזל בקצב של 192–384 t/d, בשטח רצפה של 1.2m x 0.6m בלבד. לעומת זאת, ערבול מכני (MS) דורש ריאקטור גדול בהרבה בשל זמן התגובה הארוך בתהליך הערבול המכני, הגורם לעלייה משמעותית בעלות הריאקטור. (ראו Gholami et al., 2020)
עלויות עיבוד נמוכות:
עלויות העיבוד בייצור ביודיזל אולטרסוני נמוכות ב-7.7% מאלה של תהליך הערבול, בעיקר בשל ההשקעה הכוללת הנמוכה יותר בתהליך הסוניקציה. עלות הכימיקלים (זרז, מתנול/אלכוהול) היא גורם העלות השלישי בגודלו בשני התהליכים, סוניקציה וערבול מכני. עם זאת, בהמרה אולטרסונית לביודיזל עלויות הכימיקלים נמוכות משמעותית מאשר בערבול מכני. חלקם של הכימיקלים בעלות הסופית של הביודיזל הוא כ-5%. בשל הצריכה הנמוכה יותר של מתנול, נתרן הידרוקסידי וחומצה זרחתית, עלות הכימיקלים בתהליך הביודיזל האולטרסוני נמוכה ב-2.2% מזו שבתהליך הערבול המכני.

עלויות אנרגיה מופחתות:
צריכת האנרגיה של ריאקטור הערבוב האולטרסוני היא כשליש מזו של המערבל המכני. הפחתה ניכרת זו בצריכת האנרגיה נובעת מהערבוב האינטנסיבי בקנה מידה מיקרוסקופי ומקיצור זמן התגובה, הנגרמים מהיווצרותם ומקריסתם של אינספור חללים, המאפיינות את תופעת הקוויטציה האקוסטית / האולטרסונית (Gholami et al., 2018). נוסף על כך, בהשוואה למערבל הקונבנציונלי, צריכת האנרגיה בשלבי השבת המתנול וטיהור הביודיזל בתהליך הערבוב האולטרסוני פוחתת ב-26.5% וב-1.3%, בהתאמה. ירידה זו נובעת מכמויות המתנול הנמוכות יותר הנכנסות לשני עמודי הזיקוק הללו בתהליך הטרנסאסטריפיקציה האולטרסוני.

עלויות סילוק פסולת מופחתות במידה ניכרת:
טכנולוגיית הקוויטציה האולטרסונית מפחיתה במידה ניכרת גם את עלות סילוק הפסולת. עלות זו בתהליך הסוניקציה היא כחמישית מזו שבתהליך הערבול, כתוצאה מהירידה המשמעותית בהיווצרות הפסולת בזכות שיעור ההמרה הגבוה יותר בריאקטור וכמויות האלכוהול הנמוכות יותר הנצרכות.
קראו עוד על המרה אולטרסונית לביודיזל של שמנים משאריות קפה משומשות!

ידידותיות משופרת לסביבה:
בזכות היעילות הכוללת הגבוהה מאוד, הצריכה המופחתת של כימיקלים, דרישות האנרגיה הנמוכות יותר והפחתת הפסולת, ייצור ביודיזל אולטרסוני ידידותי לסביבה במידה משמעותית יותר מתהליכי ייצור ביודיזל קונבנציונליים.

מסקנה – אולטרסאונד משפר את יעילות ייצור הביודיזל

ההערכה המדעית מראה את היתרונות הברורים של ערבוב אולטרסוני לעומת בחישה מכנית קונבנציונלית לייצור ביודיזל. היתרונות של עיבוד ביודיזל אולטרסוני כוללים את ההשקעה ההונית הכוללת, עלות המוצר הכוללת, הערך הנוכחי הנקי ושיעור התשואה הפנימי. נמצא שסך ההשקעה בתהליך הקוויטציה האולטרסונית נמוך בכ־20.8% מזה של התהליך האחר. השימוש בריאקטורים אולטרסוניים הפחית את עלויות המוצר ב־5.2% – בשימוש בשמן קנולה שלא נעשה בו שימוש קודם. מכיוון שסוניקציה מאפשרת לעבד גם שמנים משומשים (למשל שמני בישול משומשים), ניתן להפחית את עלויות הייצור במידה משמעותית נוספת. Gholami et al. (2021) מגיעים למסקנה שבשל ערך נוכחי נקי חיובי, תהליך הקוויטציה האולטרסונית הוא הבחירה הטובה יותר בטכנולוגיית ערבוב לייצור ביודיזל.
מבחינה טכנית, ההשפעות החשובות ביותר של קוויטציה אולטרסונית כוללות יעילות תהליך משמעותית וקיצור זמן התגובה. היווצרותן וקריסתן של בועות ואקום רבות – תופעה המכונה קוויטציה אקוסטית / אולטרסונית – מקצרות את זמן התגובה מכמה שעות בריאקטור מכל עם בחישה לכמה שניות בריאקטור קוויטציה אולטרסונית. זמן שהייה קצר זה מאפשר ייצור ביודיזל בריאקטור זרימה בעל שטח רצפה קטן. לריאקטור הקוויטציה האולטרסונית יש גם השפעות מועילות על דרישות האנרגיה והחומרים: הוא מפחית את צריכת האנרגיה לכמעט שליש מזו של ריאקטור מכל עם בחישה ואת צריכת המתנול והזרז ב־25%.
מבחינה כלכלית, סך ההשקעה בתהליך הקוויטציה האולטרסונית נמוך מזה של תהליך הבחישה המכנית, בעיקר בשל הפחתה של כמעט 50% בעלות הריאקטור ושל 11.6% בעלות עמודת זיקוק המתנול, בהתאמה. תהליך הקוויטציה האולטרסונית מפחית גם את עלות ייצור הביודיזל הודות להפחתה של 4% בצריכת שמן הקנולה, לסך השקעה נמוך יותר, לצריכת כימיקלים נמוכה ב־2.2% ולדרישות נמוכות ב־23.8% לשירותי עזר. בניגוד לתהליך הכולל בחישה מכנית, העיבוד האולטרסוני הוא השקעה כדאית בשל הערך הנוכחי הנקי החיובי שלו, זמן החזר ההשקעה הקצר יותר ושיעור התשואה הפנימי הגבוה יותר. נוסף על היתרונות הטכניים והכלכליים של תהליך הקוויטציה האולטרסונית, הוא ידידותי יותר לסביבה מתהליך הבחישה המכנית. קוויטציה אולטרסונית מביאה להפחתה של 80% בזרמי הפסולת בשל ההמרה הגבוהה יותר בריאקטור וצריכת האלכוהול המופחתת בתהליך זה. (ראו Gholami et al., 2021)

הפכו חומרי גלם באיכות נמוכה לביודיזל טהור!

סוניקציה מאפשרת לעבד ביעילות רבה יותר חומרי גלם באיכות ירודה, כגון פסולת שמנים צמחיים, שומני טיגון משומשים, חֵלֶב או שמני דגים, מכיוון שקוויטציה אולטרסונית כופה מגע טוב בהרבה בין פאזות השמן והאלכוהול שאינן מתערבבות זו בזו, ומשפרת מאוד את הערבוב וכן את מעבר החום והמסה. היא גם מאיצה את קינטיקת התגובה, כך שאפילו חומרי גלם קשים לעיבוד ובעלי הרכב משתנה ניתנים להמרה מהירה ומלאה יותר.
קוויטציה אקוסטית מעצימה את סביבת התגובה ועשויה לעודד היווצרות רדיקלים בעלי תגובתיות גבוהה, ובכך תומכת עוד יותר בטרנסאסטריפיקציה מהירה ומסייעת להתגבר על חסרונות העיבוד הרגילים של חומרי גלם באיכות נמוכה.
קראו כיצד סוניקציה הופכת פסולת שמנים ושומנים לביודיזל!

השתמשו בזרז לבחירתכם

תהליך הטרנסאסטריפיקציה האולטרסונית לייצור ביודיזל הוכח כיעיל בשימוש הן בזרזים אלקליים והן בזרזים בסיסיים. לדוגמה, Shinde and Kaliaguine (2019) השוו את היעילות של ערבוב אולטרסוני ושל ערבוב מכני באמצעות להבים בשימוש בזרזים שונים, ובהם נתרן הידרוקסידי (NaOH), אשלגן הידרוקסידי (KOH), (CH₃ONa), טטראמתיל אמוניום הידרוקסיד וארבעה גואנידינים (פרופיל-2,3-דיציקלוהקסיל גואנידין (PCHG), 1,3-דיציקלוהקסיל 2 n-אוקטיל גואנידין (DCOG), 1,1,3,3-טטראמתיל גואנידין (TMG), 1,3-דיפניל גואנידין (DPG)). ערבול אולטרסוני (ב-35º) הוכח כעדיף לייצור ביודיזל על פני ערבול מכני (ב-65º), בזכות נצולות גבוהות יותר ושיעור המרה גבוה יותר. יעילות מעבר המסה בשדה האולטרסוני הגבירה את קצב תגובת הטרנסאסטריפיקציה בהשוואה לערבול מכני. הסוניקציה עלתה בביצועיה על הערבול המכני בכל הזרזים שנבדקו. ביצוע תגובת הטרנסאסטריפיקציה באמצעות קוויטציה אולטרסונית הוא חלופה יעילה מבחינה אנרגטית ובת יישום תעשייתי לייצור ביודיזל. לצד הזרזים הנפוצים KOH ו-NaOH, שני זרזי הגואנידין, פרופיל-2,3 דיציקלוהקסילגואנידין (PCHG) ו-1,3-דיציקלוהקסיל 2 n-אוקטילגואנידין (DCOG), הוכחו שניהם כחלופות מעניינות להמרה לביודיזל.
Mootabadi ואחרים (2010) חקרו סינתזה של ביודיזל משמן דקלים בסיוע אולטרסאונד, באמצעות מגוון זרזים מסוג תחמוצות של מתכות אלקליות, כגון CaO, BaO ו-SrO. פעילות הזרז בסינתזת ביודיזל בסיוע אולטרסאונד הושוותה לתהליך הערבול המגנטי המסורתי, ונמצא כי התהליך האולטרסוני הניב נצולה של 95.2% באמצעות BaO בזמן תגובה של 60 min, לעומת 3–4 h הנדרשות בתהליך הערבול הקונבנציונלי. בטרנסאסטריפיקציה בסיוע אולטרסאונד בתנאים מיטביים, נדרשו 60 min להשגת נצולה של 95%, לעומת 2–4 h בערבול קונבנציונלי. כמו כן, הנצולות שהושגו באמצעות אולטרסאונד בתוך 60 min עלו מ-5.5% ל-77.3% בשימוש ב-CaO כזרז, מ-48.2% ל-95.2% בשימוש ב-SrO כזרז, ומ-67.3% ל-95.2 בשימוש ב-BaO כזרז.

ייצור ביודיזל באמצעות גואנידינים שונים (3% mol) כזרז. (A) ריאקטור מנתי עם ערבול מכני: (מתנול:שמן קנולה) 4:1, טמפרטורה 65ºC; (B) ריאקטור מנתי עם אולטרסאונד: מכשיר אולטרסוני UP200St, (מתנול:שמן קנולה) 4:1, אמפליטודת אולטרסאונד 60%, טמפרטורה 35ºC. ערבול באמצעות אולטרסאונד עולה בהרבה בביצועיו על ערבול מכני.
(מחקר וגרפים: Shinde and Kaliaguine, 2019)

ריאקטורים אולטרסוניים בעלי ביצועים גבוהים לעיבוד ביודיזל ביעילות מעולה

Hielscher Ultrasonics מציעה מעבדים וריאקטורים אולטרסוניים בעלי ביצועים גבוהים לשיפור ייצור הביודיזל, המובילים לנצולות גבוהות יותר, לאיכות משופרת, לזמן עיבוד קצר יותר ולעלויות ייצור נמוכות יותר.

ריאקטורים לייצור ביודיזל בקנה מידה קטן ובינוני

לייצור ביודיזל בקנה מידה קטן ובינוני של עד 9ton/hr ‏(2900 gal/hr), Hielscher מציעה את דגמי המערבלים הבאים: UIP500hdT (500 וואט), UIP1000hdT (1000 וואט), UIP1500hdT (1500 וואט), וכן UIP2000hdT (2000 וואט) הפועלים באולטרסאונד ובגזירה גבוהה. ארבעת הריאקטורים האולטרסוניים האלה קומפקטיים מאוד וקלים לשילוב במתקנים חדשים או להתקנה במתקנים קיימים. הם בנויים לעבודה מאומצת בתנאי סביבה קשים. להלן תמצאו תצורות ריאקטורים מומלצות למגוון קצבי ייצור.

ריאקטורים תעשייתיים לייצור ביודיזל בתפוקה גדולה מאוד

למפעלי ביודיזל המבצעים עיבוד תעשייתי, Hielscher מציעה את UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) וכן UIP16000hdT (16kW), שהם הומוגנייזרים אולטרסוניים! מעבדים אולטרסוניים אלה מיועדים לעיבוד רציף בספיקות זרימה גבוהות. ניתן לשלב את UIP4000hdT, UIP6000hdT ו-UIP10000 במכולות סטנדרטיות להובלה ימית. לחלופין, כל ארבעת דגמי המעבדים זמינים בארונות נירוסטה. התקנה אנכית דורשת שטח מינימלי. להלן תצורות מומלצות לקצבי עיבוד תעשייתיים טיפוסיים.